|
|
 |
焊接原理與手動電烙鐵焊接技巧解說、手焊後復(touch-up)
焊接作業是現代電子製造工業中相當重要的一個環節，雖然現今的自動焊接工藝（表面貼焊(SMT)、波峰焊接(Wave Soldeirng)）已經非常的普遍，但是「人工手動焊接後復(Toucu up)」卻仍然無法100%被完全避免，尤其是在修補(Repair)作業時更無法完全以自動焊接來取代。
不熟練的人工焊接工藝不僅會產生品質上的焊接缺點（冷焊、空焊、假焊、架橋、短路）導致電路作動不正常，更嚴重的甚至有可能在焊接時損壞電子元件，或者在通電後燒毀元件。因此，如何確實的讓所有從事電子製造的人員都了解到焊接的原理與觀念並且實做，才能有效確保並提升電子產品的焊接品質，並降低不良成品的機率，甚至可以延長產品之壽命。
為什麼要焊接？
焊接的主要功能在連接各個各自獨立的電子元件以達到電子訊號互相交流的目的，其次是為了將電子元件固定於電路板上，否則電子元件動不動就給掉落下來，不就無作用了。
文章最前面的圖例為電路板的側視剖面圖，在圖片中我們可以看到焊錫與銅箔焊墊、零件引腳之間的關係。零件引腳靠著焊錫與PCB的銅箔焊墊連接，而銅箔焊墊則會再連結到其他的零件引腳，如此構成了一個完整的電子電路。
什麼是焊接？
簡單來說，焊接(Soldering)就是在兩種金屬之間加入一種熔點比兩種金屬都要低的金屬焊料，這種焊料還必須可以跟兩種金屬互相作用產生化學反應，最後形成介面金屬共化物(IMC)，使其互相結合在一起。
手動人工焊接的作法是利用「電烙鐵(iron)」將兩個金屬同時加熱並加入焊錫(焊料)，將焊錫熔化，利用熔融的焊錫滲透到電子元件引腳以及電路板上銅箔焊墊交接的縫隙並且覆蓋雙方，最後將雙方結合固化在一起，並作為電氣訊號傳導的中繼媒介。
所以對於焊錫/焊料有下面三個要求：
-
熔點要低。溫度不可太高以免找不到可以作業的材料，溫度也不可以低於電子產品的操作與儲存溫度。
-
要具備一定的電子傳導能力。導體或半導體。
-
要具有一定的焊接強度，並且具備一定抗衝擊的能力。
基於以上要求，現今的電子組裝製造業一般採用「錫」為基材的合金來當作焊料，所以稱之為「焊錫」，而電子元件的引腳及電路板則幾乎都採用「銅」材料並電鍍鎳、錫、銀之類金屬於表面做為焊接金屬。
採用「合金」是為了可以降低焊料的熔點，還可以因應各種焊接的需求，比如添加少量「銀」是為了可以得到更好的潤濕、加強焊點強度、提高抗疲勞性。錫膏中加入少量的「銅」則可以改善焊點強度，少量的銅也可以降低焊料對烙鐵頭的熔蝕作用。
關於為什麼原本兩種熔點都很高的金屬，以一定比率混在一起後其共熔點反而會大大降低，這其實是個很有趣的題目，有興趣的朋友可以先參考這篇文章【錫鉛的二元平衡金相圖】。
焊接原理
焊接的原理說穿了也沒有什麼大學問，就是利用「溫度」來融化焊錫並連接電子元件與電路板，等到溫度冷卻低於熔點後焊錫就會固化並連接在一起。
可是人工焊接無法像SMT回焊爐做全面加熱，因為人無法承受那樣的高溫，於是就設計出了「電烙鐵」單點熱源來加熱於待焊接物體與焊錫，這時候有效率的「熱」傳導就變得非常重要。
手動焊接利用電烙鐵產生的熱能來將零件引腳與銅箔焊墊迅速升溫到焊錫熔點以上的溫度，但又不能高到融化元件與電路板的溫度，然後將焊錫絲靠在已加熱的區域，原本固態的錫絲接觸到超過熔點的溫度後會自然轉變成液態並且均勻的流佈於整個焊點與引腳之間及其週圍，當電烙鐵移開後，缺少了熱源的液態焊錫會自然冷卻，當溫度低於焊錫熔點後即固化完成焊接工作。
從以上的說明中，有幾點焊接時的注意事項需要特別留意：
-
最佳的電烙鐵加熱原則應該在最短的時間內，用最低的溫度來完成最好的焊接品質。這是因為大部分的電子元件及電路板都無法長時間承受過高的溫度，否則有可能損壞電子元件或造成銅箔焊墊剝離。再者，長時間加熱焊錫也會導致錫絲中的助焊劑揮發完全並失效，反而不利焊接品質。
-
電烙鐵的熱容量必須足夠。電烙鐵的熱能是利用電力轉化而來，所以其熱容量是由功率瓦數來決定的，瓦數越大則熱容量越高，熱補償能力也就越好。當烙鐵頭靠在原本冷卻的元件及銅箔焊墊，熱量就開始往低處溢流，電烙鐵必須持續且穩定地提供足夠的熱能才能滿足加熱的需求，如果瓦數太小，就會造成加熱溫度不穩或是溫度不足，造成焊接不上的假焊及空焊等缺點。
有些電路板的焊墊連接在大面積銅箔上，且沒有設計【熱阻(thermal relief)】，它們的吸熱速度更是恐怖，這時候除了選用大功率的電烙鐵外，還得選用形狀較大的烙鐵頭(tip)，比如刀型烙鐵頭，以增加其接觸面積，加強熱傳導的效率。
何謂良好的焊接效果？
- 良好的焊接是讓焊錫可以漸漸地擴散。
-
焊錫與焊錫面及元件引腳應該呈現自然的弧形。
如何正確使用電烙鐵手動焊接電子元件於電路板？
-
使用烙鐵頭焊接時，建議要先用烙鐵頭同時加熱電路板上的銅箔焊墊與電子元件的引腳約1～2秒使其升溫到一定溫度，可以同時先餵少量的焊錫料在烙鐵頭的尖端，以增加烙鐵頭與待焊接物的接觸面積，使熱能可以更有效率的傳遞到銅箔焊墊與電子元件引腳。
-
等到待焊接物的溫度上來之後才將大量的錫絲餵給烙鐵頭，這樣才能確保焊錫真的潤濕到需要焊接的銅箔焊墊與引腳之間，甚至將它們包覆在一起。
-
切忌在銅箔焊墊與引腳溫度還未上升前就一口氣把所有的焊料都餵給烙鐵頭，這樣會讓過多的焊錫溢流到一些溫度還未上升的地方，容易造成包焊、假焊等不良現象。
-
如果是較大的焊點，建議要適當的移動烙鐵頭至焊點的另一側繼續焊接作業，以加速焊錫填充區域，因為光靠焊錫的自然流動，有時候並不能有效地分佈到整個焊點的縫隙與接合處。
-
當烙鐵頭接觸到電路板的焊墊及元件的引腳後一定要確保在最短時間內完成焊接，然後移除熱源(烙鐵頭)。無鉛錫絲SAC305的熔點為217˚C，而一般烙鐵的設定溫度則會落在350～380˚C之間，高溫且長時間對焊點局部加熱非常容易損害電子元件及電路板，不是金屬材質受不了，而是塑膠料件及黏膠會先受不了，還得考慮材料的熱膨脹係數(CTE)問題。
-
使用電烙鐵焊接完成後必須快速將烙鐵頭移除焊接處。如果移除太慢會形成焊錫拉尖，這是因為液態的焊錫會跟隨高溫的烙鐵頭移動，當烙鐵頭離開焊點一段距離後焊錫會被拉斷而形成拉絲尖頭，快速移除烙鐵頭在焊錫拉斷時可以促使拉尖的液態焊錫回彈進入焊點內，焊點的餘溫還可以吸收回彈的焊錫形成漂亮的弧形曲線。
延伸閱讀：
焊點微結構與強度關係試卷
電子零件焊接強度的觀念澄清
SMT與Wave soldering焊錫的中文翻譯與觀念澄清
PCB及電子零件焊錫吃得好不好(潤濕、不潤濕、縮錫、退潤濕)的原理是什麼？
電子零件掉落或BGA錫裂一定是SMT製程問題迷思(5)？增加焊錫的接觸面積以增加焊錫強度
|
|
訪客留言內容（Comments）
板主您好，希望您可以詳細解答我下面的一些問題，因為我是電工新手，所以想瞭解一些基本的知識和目前遇到的情況。
請問60瓦的電烙鐵，能不能用在焊接精細pcb原件板上？ 如果已經買了這個規格的電烙鐵，使用方面是不是需要非常小心？ 我目前在焊接這種pcb板，元件很小，那麽60瓦的電烙鐵是不是只要控制在2-4秒左右完成焊接工序，電子元件就基本上不會燒壞？
另外一個問題，綠色的電路板是不是耐衝擊力很強？ 或者說， 它耐熱程度高不高？
不好意思我的疑問可能比較不太清楚，還請您見諒，希望您抽空有時間能慢慢解答，非常感謝您。
訪客留言注意事項：
1.首次留言須通過審核後內容才會出現在版面上，請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言，與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言，請善加利用【搜尋框】尋找相關文章，找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章，自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容，工作熊不一定會瞭解你在說什麼，就更無法回答你的問題。
4. 工作熊並非某一方面的專家，所以回答的內容或許會有不正確的地方，服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題，請前先參考這篇文章【詢問工程問題，請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問，並且請提供足夠的資訊，這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看，但不會每則留言都回答，尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度，工作熊不是你的「細漢」，更沒有拿你的薪水，所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 原則上工作熊不接受私下電子郵件、電話、私訊、微信或任何即時通聯絡。
8. 自2021年7月起Google將停止最新文章電子郵件通知，如果你想隨時接收部落格的最新文章可以參考這裡。
請問為何大多數的開關都鍍銀啊?